NHD技术用于合成气脱硫脱碳工程及设计方案

化学工程2000年第28卷第3期NHD技术用于合成气脱硫脱碳工程及设计方案林民鸿郭淑翠(南化集团研究院,南京210048)(河北藁城市化肥总厂)NHD法脱硫脱碳净化技术是一种髙效节能的物理吸收方法。文中阐述了NH溶剂的优良应用性能及其用于脱硫脱碳的先进设计方案。河北省蘂城市化肥总厂等十几套NHD脱硫脱碳工业装置的成功投产,取得显著的综合经济效益,为NHD工艺的广泛应用提供了丰富的生产、工程经验。关键词:合成气脱硫脱碳NHD技术聚乙二醇二甲醚是一种物理吸收溶剂,广泛用于燃点,157C天然气、燃料气、合成气等混合气体中H2S、CO2、COS、1.2应用性能烃、硫醇等组分的吸收,在国外称之为Seleⅹo工艺(1)吸收CO2、H3S、COS等气体的能力强,溶液该工艺是“低能耗”大型氨厂的重要组成部分,是国循环量小。根据广义酸碱理论,在聚乙二醇二甲醚分际公认的节能工艺子结构中,醚基团内的氧为硬碱性中心,而CH3和国内南化集团研究院成功开发了类似的NHD净CH2CH2基团则为软酸部分。因此,该溶剂对硬化工艺。NHD溶剂的物化性质与 Selexol接近,但其酸性气体(如HsS,CO2)和软碱性气体(如硫醇、CS组分含量与分子量都不同该技术通过化工部鉴定,并和COS)均有较大的溶解能力。表1是NHD与其他物被列入“九五”国家级科技成果重点推广计划。专家理溶剂溶解能力的相对比较(以碳丙为基准1.00)认为,NHD法用于脱硫脱碳,具有能耗低、净化度高表1溶解能力的相对比较操作稳定、设备及流程比较简单的优点,目前已在河北藁城市化肥总厂、山东郯城化肥厂等多家中小化肥碳酸丙烯酯聚乙二醇二甲醚N甲基吡咯烷酮PCNHDNMP厂应用,并且取得了较好的经济效益。该技术属国内CO21.001.101.00首创,具有国际先进水平,特别适用于以煤为原料,酸HS2.823.10性气含量高的氨合成气、甲醇合成气和羰基合成气的COS1.00净化,以及天然气、油田气、炼厂气、城市煤气中酸性气体的脱除,适合我国国情。(2)选择性吸收HS和COS等气体。以CO2的溶解度为100,各种气体在NHD溶剂中的相对溶解度如NHD溶剂的物理性质和应用性能表2。从表2可见,NHD溶剂对H3S和COS的选择吸NHD溶剂的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系收性好物,分子式为CHO(C2HO)CH3,n=2~8,平均分表2各种气体在NHD溶剂中的相对溶解度子量为250~280。同系物中,四乙二醇二甲醚、五乙组分H, CO CH, CO, COS H2S醇二甲醚及六乙二醇二甲醚具有优良的使用性能,其含量越高越好。相对溶解度1.32.86.71.I物理性质(25C)密度,1027kg/m3(3)净化度高。在一个吸收塔內,NHD溶剂可将蒸汽压,0.093PaHS中国煤化脱除到1×10-6,CO,脱表面张力,0.034N/n除到粘度,4.3MPa·s样高的小 CNMH物理吸收溶剂达不到这比热,2100J/(kg:K)(4)蒸汽压低。NHD溶剂的蒸汽压极低,约为碳导热系数,0.18W/(m·K)丙的1/150,因此,挥发损失很小。在工艺流程上,可冰点,-22~-29C不设溶剂洗涤回收装置,流程短闪点,151C(5)无腐蚀性。NHD溶剂无腐蚀性。因此,NHD林民鸿等NHD技术用于合成气脱硫脱碳工程及设计方案净化装置可用碳钢制作,节省投资费用闪蒸后的溶液,再进入再生塔,再生塔底有惰性气体6)化学稳定性和热稳定性好。NHD溶剂不氧(通常是空气)鼓入,减低了气相CO2分压,增强了传化、不降解、不水解、不热解质推动力,实现了溶解气体的解析过程。在脱硫过程⑦)不起泡。溶剂本身不起泡。操作时,不需添中,为了防止硫化氬的氧化而析岀单质硫,以及荻得加消泡剂。较高的净化度,再生常为热再生。此时可利用变换气(8)无毒性。NHD溶剂无毒、无臭、无味,若进的热量,提高溶液温度,蒸发岀的水蒸气又可作为气入大气,可被周围环境中生物分解,对人和生物无毒提介质,保证了再生贫液有较高的贫度。害,也不会污染环境2.2NHD脱硫工艺流程(见图1)(9)能耗低。NHD溶剂系物理吸收溶剂。再生变换气进入脱硫塔底,与自上而下的NHD贫液时,只需空气气提,可节约大量再生能耗逆流接触。其中的硫化氢、硫氧化碳和一小部分二氧化碳被脱除掉,脱硫气从塔顶离开系统。NHD富液减2NHD脱硫脱碳设计方案压,进入闪蒸槽,闪蒸出所溶氢、氮气和部分二氧化2.1吸收机理及设计思路碳。闪蒸气返回系统,闪蒸液流入再生塔顶部,在塔NHD净化技术属物理吸收过程。COS、H3S在内自上而下地喷淋,塔底溶液由变煮器加热,产生水NHD溶剂中的溶解度能较好地用亨利定律来描述。蒸气进一步使溶液得到再生,再生后的贫液经水冷后当CO分压小于IMPa时,气相压力与液相浓度的关返回脱硫塔顶循环使用。系也基本符合亨利定律。因此,H2S和CO2在NHD溶2.3NHD脱碳工艺流程(见图2剂中的溶解度随压力升高,温度降低而增大,这时进脱碳流程中,吸收塔及髙压闪蒸槽旳设置与脱硫行气体吸收过程,降低压力,升高温度即可实现溶剂相同。不同的地方,一是增加了低压闪蒸槽。低压闪的再生蒸气中的CO2浓度大于98.5%,可供尿素生产用。二根据以上机理,NHD脱硫和(或)脱碳旳基本流是惰性气体气提再生代替脱硫时的热再生,大大节约程为吸收塔→亠闪蒸槽→再生塔。在吸收塔高压(相了能耗。三是氨冷器代替了脱硫时的水冷器。因为脱对)低温工况下,NHD贫液中溶解气体的对应平衡分碳过程中,没有加热过程,氨冷器的设置不会产生冷压小于气相中此类气体的分压,这些气体就溶于NHD热病,仅是补充冷损,使进入脱碳塔贫液温度降到θC溶液中,完成了吸收过程。然后NHD富液减压,进入左右,大大提高了净化度,降低溶液循环量,降低了闪蒸槽,闪蒸岀所溶(溶解度较小)的有效气体及部能耗,减少了设备投资分二氧化碳等,闪蒸气返回系统,减小有效气体损失。再生气(COS<1×10-6,总硫<1×10-8)脱硫气水NHD溶剂回系统变换气闪蒸槽换热器变煮器中国煤化工CNMHG图1NHD脱硫工艺流程化学工程年第28卷第3期(Co<0.1%)放空脱碳气(返回系统)〔去尿素)脱碳塔高闪气低闪气氮冷器高压闪蒸槽低压闪蒸槽惰性气体变脱气图2NHD脱碳工艺流程2.4NHD净化流程组合投入量。缺点是投资费用较高。根据不同的工况条件及净化指标,NHD净化流程在设计中,采用新型的液体分布器、填料支承板可灵活分解、组合来达到生产要求。和液体再分布器,使液体分布均匀,促使气体分布均2.4.1NHD脱硫串NHD脱碳匀。填料支承板开孔率高,流体阻力小,结构紧凑合在变换后,设置NHD脱硫串NHD脱碳。变换气理,降低塔高,最终保证了高传质效率先脱硫后脱碳,NHD脱硫液和NHD脱碳液自成系2.5.2闪蒸槽统,分别循环。本流程已在10万吨氨/年工业装置上闪蒸槽是使溶解气体从溶液中解吸出来的装置。成功应用。槽的外形尺寸及内件的设计应有利于溶解气体的平稳2.4.2湿法脱硫串NHD脱碳解吸。闪蒸气岀口处应设除沫网捕集溶剂雾沫变换气先经栲胶、KCA改良ADA等方法脱硫2.5.3材料选用后,再用NHD脱碳。本流程已在很多中小型氨厂投NHD净化系统的绝大多数设备都用碳钢制作,入使用,生产液氨、尿素、甲醇等产品。填料可采用塑料,但需检验。2.4.3NHD脱碳流程的组合变化(1)若脱碳指标要求低,可删去气提塔,仅用闪3NHD脱硫的工业应用蒸再生南化院已将NHD脱硫技术推广应用于某10万(2)若低压闪蒸槽逸出的二氧化碳无用途,可删吨氨/年工业装置。进脱硫塔变换气含CO243%,HS去低压闪蒸槽,其作用在气提塔中一并完成1.0%,出脱硫塔的脱硫气含H2S为1~2×10-6,CO2(3)若用热再生或惰性气体(不含氧气)气提再约38%。由于设置了提浓塔,再生气含H2S>25%,送,则在塔亠槽亠塔流程中,一次冋时完成脱硫脱克芬斯裝置制取硫磺南化院还将NHD脱硫技术推广应用到某有机合(4)采用空气气提再生的脱碳流程,也可将变换成厂,脱除其原料气中的硫氧化碳。进裝置的原料气气中少量硫化氬和硫氧化碳脱除到θ.1×10-6。含CQ中国煤化工中cOS已降到7×10-62.5主要设备设计及优化以下CNMHG2.5.1塔NHD净化工艺的几个塔器是完成吸收、再生分4NHD脱碳的工业应用离等重要传质设备,都选用填料塔。与板式塔相比,南化院开发的NHD脱碳的工业应用已有十几个填料塔操作比较稳定,尤其适于进塔气常用量波动的实例,装置规模达10万吨氨/年,脱碳压力从1.5~情况。填料塔压降低,持液量少,可減少第一次溶剂4.AMPa,脱碳指标可达到.1%以下。这些投运的工林民鸿等NHD技术用于合成气脱硫脱碳工程及设计方案业裝置,包括新建和原碳丙工艺的改造,经济效益显4.1藁化NHD脱碳工艺流程(见图3)著。以5~10万吨/年合成氨装置为例,NHD工艺比其干法脱硫后的变换气回压缩加压后进入脱碳系他工艺,年节支增收300~800万元。统,经换热器及气水分离器后进入脱碳塔底部,在塔河北藁城市化肥总厂就是NHD脱碳工业应用的内与上部喷淋下来的NHD溶液逆流接触。原料气中范例。该厂系以块煤为原料的小化肥厂。1994年甲醇O2被吸收,脱碳气经分离器后去压缩工段。吸收CO投产,与其相配套的是2万吨氨/年的NHD脱碳装后的NHD富液进入高压闪蒸槽,闪蒸回收溶液中所置。1997年4月又建成投产了6万吨/年尿素装置,脱溶的H2、N2及部分CO2气。溶液再进入低压闪蒸槽,碳仍采用南化研究院的NHD技术。投入这两套脱碳闪蒸岀高纯度的CO2供尿素使用。溶液由富液泵打至装置的NHD溶剂都由该厂自行生产,质量较好。至今气提塔,由空气气提再生,贫液由贫液泵加压至氨冷已分别运转4年及1年,运行正常,各项技术经济指却器,送入脱碳塔顶部循环使用。标均达到和超过了设计能力,创造了巨大的经济效益。当循环溶液中含水量超过8%时,将部分溶液送下面介绍其第二套NHD脱碳生产情况。到脱水塔进行脱水处理,脱水后返回系统。原料气脱碳流程图器;2一脱碳塔;3—氨冷器;4一高压闪蒸槽;5—低压闪蒸槽;δ—富液泵;一筼液泵;8—气提塔;9一换热器;10—-空气鼓风机4.2藁化NHD脱碳运行情况藁化NHD脱碳运行的生产数据见表3。主要设备及投资见表4。5结束语表3NHD法脱硫脱碳净化技术是一种高效节能的物设计指标实际平均指标理吸收方法。它具有吸收能力大、选择性好、操作弹性大、溶剂损耗少、工艺流程简单、经济效益显著、节溶液循环量/t/h260能效果好等优点。河北省藁城市化肥总厂等十几套吸收压力/MPa2.80吸收温度/CNHD脱硫脱碳工业装置的成功投产,充分说明NHD原料气CO2%技术优异的使用性能及显著的综合经济效益,为NHD净化气CO2%工艺的广泛推广应用提供了丰富的生产、工程经验。供尿素CO2纯度%目前,还有十几套NHD脱硫脱碳工业装置(单系溶液含水0统裝置生产能力达18万吨氨年)正在设计、建设之NHD消耗/kg/t氨中,已投产和拟投产的NHD净化装置遍及黑龙江、吉电耗/kWh/t氨125蒸汽耗/kg/t氨20林、河北、山西、山东、河南、甘肃、贵州、湖北、福建、浙江、江苏、安徽、上海等地。NHD技术日趋成熟完善,完全可以用于各种规模工厂的新建、扩建和吸收塔2200×48200汽提塔92400×48530改造、为我国化胆生产术讲步作出贡献中国煤化工氨冷器小1000/中2000×9102高闪槽CNMHG低闪槽中1800×7980设备投资420万元总投资550万元